-
29COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)
Jan CZERWIŃSKIPierre COMTEFelix REUTIMANNAndreas MAYER
Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions of
small 2-& 4-stroke scooters
Part 1The objectives of the present work are to investigate the
regulated and unregulated (particle) emissions of a classical
and modern 2-stroke and a typical 4-stroke scooter with
different ethanol blend fuels. There is also comparison of two
different ethanol fuels: pure ethanol (E) and hydrous ethanol (EH)
which contains 3.9% water and is denatured with 1.5% gasoline.
Special attention is paid in this research to the hydrous ethanol,
since the production costs of hydrous ethanol are much less than
those for (dry) ethanol.
The vehicles are with carburettor and without catalyst, which
represents the most frequent technology in Eastern Asia and offers
the information of engine-out emissions. Exhaust emissions
measurements have been performed with fuels containing ethanol (E),
or hydrous ethanol (EH) in the portion of 5, 10, 15 and 20% by
volume. During the test syste-matical analysis of particle mass
(PM) and nanoparticles counts (NP) were carried out.
The present investigations did not concern the durability of
parts exposed to the chemical influences of ethanol. Also the cold
start, particularly in extreme conditions and the lube oil dilution
were not addressed.Keywords: ethanol, particle emission,2-stroke
engines, scooters
Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych z małych
skuterów dwu- i czterosuwowych
Część 1
W artykule przedstawiono badanie uregulowanych i
nieuregulowanych prawnie emisji cząstek dla klasycznego i
nowo-czesnego skutera 2-suwowego i typowego skutera 4-suwowego
zasilanych paliwami o różnym udziale etanolu. Ponadto zamieszczono
porównanie dwóch różnych paliw etanolowych: czystego etanolu (E) i
wodnego etanolu (EH) zawierającego 3,9% wody i skażonego
1,5-procentowym stężeniem benzyny. Szczególnie skupiono sie na
badaniach wodnego etanolu, od chwili, gdy koszty produkcji etanolu
z dodatkiem wody okazały się mniejszy niż etanolu bez takiego
dodatku.
Pojazdy są wyposażone w gaźnikowy układ zasilania i nie
posiadają reaktora katalitycznego, co stanowi najczęstsze
rozwiązanie konstrukcyjne w Azji Wschodniej, umożliwiając uzyskanie
tym samym informacji o emisji z silnika.
Pomiary emisji spalin przeprowadzono na paliwach zawierających
etanol (E) lub wodny etanol (EH) o udziale obję-tościowym
odpowiednio 5, 10, 15 i 20%. Podczas pomiaru dokonywano
systematycznej analizy masy cząstek stałych i liczby nanocząstek
(NP).
Obecne prace badawcze nie dotyczyły trwałości elementów
poddanych chemicznemu oddziaływaniu etanolu. Ponadto nie
uwzględniono tzw. “zimnego startu”, szczególnie w warunkach
granicznych oraz rozcieńczenia oleju smarującego. Słowa kluczowe:
etanol, emisja cząstek stałych, silniki 2-suwowe, skutery
1. WprowadzenieWzrost możliwości dostarczania paliw w
transporcie jest
w znacznej mierze stymulowany dyrektywami Unii Euro-pejskiej,
dzięki którym w 2010 r. zastosowano mieszankę zawierającą 5,75%
paliwa otrzymanego z biomasy; ustawo-dawca zamierza osiągnąć w 2020
r. mieszankę zawierającą 20% biomasy. Etanol wytworzony w procesie
fermentacji kukurydzy (pierwsza generacja) i biomasy (druga
generacja) estrów metylowych tłuszczy i olejów (biodiesel
pierwszej/drugiej generacji) stanowią paliwa odnawialne. Kilka
państw pragnie zastąpić część energii w ruchu ulicznym tą, która
jest zawarta w etanolu jako odnawialnym źródle energii.
Laboratoria Silników Spalinowych i Kontroli Emisji Spalin (AFHB)
Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Biel, w Szwajcarii, są zaangażowane
od 2000 r. w kilka projektów badawczych dotyczących czynników
emisji i możliwości
1. IntroductionThe growth to sustainability of the
transportation fuels
is highly stimulated by the EU directives and blending of 5.75%
fuel derived from biomass should be achieved in 2010 and the
legislation is aiming for 20% into the year 2020. Ethanol produced
by fermentation of corn (the first generation) and biomass (the
second generation) and methyl esters of fats and oils (the
first/second generation bio diesel) are the renewable fuel. Several
countries have objectives to substitute a part of the energy of
traffic by ethanol as the renewable energy source.
Laboratories for IC-Engines and Exhaust Emission Control (AFHB)
of the University of Applied Sciences, Biel, Switzerland are
involved since 2000 in several research projects about emission
factors and possibilities of reduction of (nano)particle emissions
of 2-wheelers. A special attention
Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle)
emissions...
PTNSS-2011-SS1-104
-
30 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)
was paid to the 2-stroke scooters, which have much higher
particle emission, than the 4-strokers.
In an international network project, treating about analyt-ics
and possibilities of reduction of (nano)particle emissions from 2-S
scooters, several topics were investigated [1 – 6] and the
combinations of technical measures to lower the particle emissions
of scooters confirmed the expected ef-fects and showed considerable
reduction potentials. These technical measures were:– higher tier
lube oils– lower oil dosing– active oxidation catalyst–
supplementary filtration & oxidation device (wire-mesh
filter-catalyst WFC)– special fuel.
The special fuel used in those tests was Alkylat Aspen gasoline
with a uniform HC-matrix (mostly isooctane) and no aromatics. This
special gasoline is recommended in Switzerland for the hand-held
machines in professional application.
The idea of using ethanol blends was known, but not applied
before in the research of scooters.
Ethanol is used for passenger cars for a long time (Brazil). In
the last years, due to the increasing prices of crude oil, there is
a growing interest for ethanol. Several countries have objectives
to substitute a part of the energy of traffic by the renewable
energy. On the other hand there are interferences with the prices
of food in certain regions.
Some manufacturers offer FFV (flex fuel vehicles), which is
particularly challenging for high ethanol content (E85) in
countries, like Sweden with colder climatic conditions. There are
several technical problems to resolve to guarantee the long live
operation of the engine with E85 [7 – 11]:– adaptation of engine
construction in regard to a changed
thermal stress of combustion chamber parts,– adaptation of spark
plugs and injectors, – fuel injection system,– wear of valves,
pistons, rings and liners,– polymer materials and sealings,–
crankcase ventilation and oil dilution, – software of engine ECU,
new or flexible parameter set-
tings.Small portions of ethanol E5 are generally accepted
for
the vehicle fleets without any adaptations.Very useful
information about handling of gasoline-
ethanol blends up to 10% v/v is given in the CONCAWE report No.
3/08 [12].
The objectives of the present work are to investigate the
limited and the unregulated emissions of typical 2-stroke and
4-stroke scooters 50 cc with different ethanol blend fuels, with
pure and hydrous ethanol. The vehicles are with carburettor and
without catalyst, which represents the most frequent technology in
Eastern Asia and offers the informa-tion of engine-out
emissions.
Ethanol fuel specifications worldwide traditionally dictate use
of anhydrous ethanol (less than 1% water) for gasoline blending.
This result in additional costs, energy
zmniejszenia emisji nanocząstek pojazdów dwukołowych. Szczególną
uwagę poświęcono skuterom 2-suwowym, u których występuje znacznie
większa emisja cząstek stałych niż u skuterów z silnikami
4-suwowymi.
W ramach międzynarodowego projektu sieciowego, dotyczącego
obliczeń i możliwości zmniejszenia emisji nanocząstek ze skuterów
2-suwowych, rozważano wybrane problemy naukowe [1 – 6], a
zastosowane do ich rozwiązania środki techniczne zmierzające do
obniżenia emisji cząstek stałych z silników tych pojazdów
potwierdziły, przez odpo-wiednie wyniki działań, że istnieją
potencjalne możliwości obniżenia emisji cząstek stałych ze
skuterów.
Do zastosowanych środków technicznych zmierzających do obniżenia
emisji cząstek stałych z silników spalinowych skuterów należały:–
wyższa klasa oleju smarującego– mniejsze dawkowanie oleju– aktywny
utleniający reaktor katalityczny– dodatkowe urządzenie
filtracyjno-utleniające (filtr siat-
kowy, reaktor WFC)– specjalne paliwo.
Zastosowane w badaniach specjalne paliwo stanowiła benzyna
alkilat-topola (Alkylat Aspen) z jednorodną strukturą HC (głównie
izooktan) bez udziału węglowodorów aroma-tycznych. Ta specjalna
benzyna jest zalecana w Szwajcarii dla maszyn ręcznych do
specjalistycznych zastosowań.
Idea zastosowania mieszanek etanolowych była znana, lecz nie
zastosowana w badaniach skuterów.
Etanol jest stosowany od dawna w samochodach osobo-wych
(Brazylia). W ostatnich latach, z powodu wzrastających cen ropy
naftowej, zwiększa się zainteresowanie etanolem.
Niektóre z państw pragną zastąpić część energii zużywa-nej przez
środki transportu w ruchu ulicznym energią, która jest uzyskiwana
ze źródeł odnawialnych. Należy jednak pa-miętać, iż takie działanie
ma wpływ na wzrost cen żywności w danych regionach.
Niektórzy producenci oferują pojazdy wielopaliwowe (FFV – flex
fuel vehicles), co stanowi szczególne wyzwa-nie dla paliw o dużej
zawartości etanolu (E85) w krajach o chłodniejszym klimacie, jak
np. Szwecja. Istnieje kilka problemów technicznych do rozwiązania
celem zapewnienia długiego okresu pracy silnika przy stosowaniu
paliwa E85 [7 – 11]:– przystosowanie konstrukcji silnika do
zmienionych na-
prężeń termicznych elementów komory spalania,– rozmieszczenie
świec zapłonowych i wtryskiwaczy, – system wtrysku paliwa,– zużycie
zaworów, tłoków, pierścieni tłokowych i tulei
cylindrowych,– materiały polimerowe,– przewietrzanie skrzyni
korbowej i rozcieńczanie oleju
smarującego, – oprogramowanie sterownika ECU silnika, nowe lub
ela-
styczne ustawienia parametrów.Niewielkie udziały etanolu są
ogólnie akceptowane dla
floty pojazdów bez konieczności wprowadzania jakichkol-wiek
zmian.
Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...
-
31COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)
usage and environmental impacts associated with the extra
processing step required to dehydrate the hydrous ethanol produced
via distillation (4 – 5% water) to meet the cur-rent anhydrous
ethanol specifications. For saving costs and energy the hydrous
ethanol may be effectively used in most ethanol/gasoline blending
applications, reducing or eliminating the need for anhydrous
ethanol production and distribution [13, 14]. The hydrous ethanol
is predisposed to be a subject to standardisation and acceptance by
major stakeholders in the fuel and automotive industries.
During the tests a systematical analysis of particle mass (PM)
and nanoparticles counts (NP) was performed.
2. Investigated scootersThe research of emissions with alcohol
was performed on
the Piaggio Typhoon 2-stroke and with an older type 2-stroke
Kreidler Florett small motorcycle (lube oil directly mixed with the
fuel). Figure 1 shows both vehicles in the laboratory and Table 1
represents the most important data.
The investigated 4-S Scooter was Honda Zoomer with carburettor
and without catalyst, Fig. 2. The most important data of this
vehicle represents Table 2.
All vehicles use simple conventional carburettors with a
cable-controlled throttle body and needle.Fuels
As a basic fuel a standard gasoline, lead-free, RON 95, Swiss
market quality was used. At the beginning of network projects about
the particle emissions of 2-S scooters 2004 a large batch of this
gasoline was purchased to perform all research with the same
fuel.
The sulphur content of this gasoline was analysed and no sulphur
was found (detection limit < 2 ppm). The investigated fuel
blends contained ethanol (E), or hydrous ethanol (EH) in
Bardzo pomocne informacje dotyczące mieszanek ben-zyny i etanolu
aż do udziału objętościowego równego 10% można uzyskać w raporcie
CONCAWE nr 3/08 [12].
Celem niniejszej pracy jest zbadanie limitowanych oraz
nieuregulowanych przepisami emisji typowych skuterów dwu- i
czterosuwowych o objętości skokowej silnika równej 50 cm3 dla paliw
o różnym udziale etanolu, czystego etanolu i etanolu z dodatkiem
wody. Pojazdy są wyposażone w gaźnikowy układ zasilania i nie
posiadają reaktora katalitycznego – jest to najczęściej spotykane
rozwiązanie konstrukcyjne skuterów użytkowanych w Azji Wschodniej,
a uzyskana emisja skład-ników szkodliwych spalin z tych pojazdów
daje informacje o rzeczywistej emisji w układzie wylotowym
silnika.
Parametry techniczne paliwa etanolowego, w skali świa-towej,
tradycyjnie wymuszają użycie bezwodnego etanolu (mniej niż 1% wody)
dla mieszanek benzynowych. Prowadzi to do dodatkowych kosztów
związanych z jego wytworze-niem, do zwiększenia zużycia energii i
wiąże się z wpływem na środowisko naturalne dodatkowego procesu
jego przetwa-rzania wymaganego w celu odwodnienia wodnego etanolu
wytworzonego w procesie destylacji (4 – 5% wody), aby spełnić
obecne wymagania techniczne bezwodnego etano-lu. W celu
zmniejszenia kosztów i zużycia energii, wodny etanol może być
efektywnie użyty w większości zastosowań mieszanek etanolu i
benzyny, zmniejszając lub eliminując
potrzebę produkcji i dystrybucji bezwodnego etanolu [13, 14].
Wodny etanol jest paliwem akceptowanym przez główne podmioty
przemysłu paliwowego i samochodowego.
Podczas badań dokonywano systematycznej analizy masy cząstek
(PM) i liczby nanocząstek (NP).
2. Badane skuteryBadania emisji pojazdu zasilanego alkoholem
prze-
prowadzono na 2-suwowym skuterze Piaggio Typhoon i starszym
małym 2-suwowym skuterze Kreidler Florett (rozwiązanie
konstrukcyjne, w którym olej smarujący jest wymieszany bezpośrednio
z paliwem).
Na rysunku 1a i 1b przedstawiono oba pojazdy w la-boratorium, a
w tabeli 1 zawarto najważniejsze ich dane techniczne.
Fig. 1. Investigated 2-S Scooter: a) Piaggio Typhoon 2-S 50 cc,
b) Kreilder Florett 2-S 50ccRys. 1. Badane 2-suwowe skutery: a)
Piaggio Typhoon o objętości skokowej 50 cm3, b) Kreilder Florett o
objętości skokowej silnika 50 cm3
Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle)
emissions...
-
32 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)
Wszystkie pojazdy posiadają kon-wencjonalne gaźniki ze sterowaną
linką przepustnicą i iglicą. Paliwa
Jako paliwo podstawowe zastoso-wano standardową benzynę
bezoło-wiową, RON 95, zgodną z jakością stosowanych paliw w
Szwajcarii.
Na początku projektu sieciowego dotyczącego emisji cząstek
stałych ze skuterów 2-suwowych 2004 zakupiono znaczną ilość benzyny
w celu przepro-wadzenia badań na tym samym paliwie. Dokonano
analizy zawartości siarki w powyższej benzynie, w wyniku której
stwierdzono brak powyższego składni-ka (granica wykrycia < 2
ppm). Badana mieszanka paliwowa zawierała etanol (E) lub wodny
etanol (EH) o udziale objętościowym 5, 10, 15 i 20%.
Czysty etanol stanowi C2H5OH, a etanol wodny zawiera: etanol –
94,56% objętości, wodę – 3,94% ob-jętości i benzynę – 1,5%
objętości.
W tabeli 3 zamieszczono najważ-niejsze dane o paliwach
zastosowa-nych w badaniach. Można zauważyć, iż wraz ze wzrostem
udziału etanolu wymaganie dotyczące ilości powietrza niezbędnego do
spalania stechiome-trycznego zmniejsza się. Oznacza to (ze względu
na w przybliżeniu stały
strumień powietrza), że mieszanka paliwowo-powietrzna będzie
uboższa. Ponadto występuje mniejsza wartość ciepła w etanolu. Punkt
wrzenia dla stałej temperatury i duże utajone ciepło parowania
etanolu mogą powodować duże trudności podczas uruchamiania silnika
w niskich temperaturach. Oleje smarujące
Zastosowane oleje smarujące były zgodne z wymaga-niami
producentów pojazdów:– dla skutera Piaggio Typhoon – olej
syntetyczny Selenia
HI-Scooter 2 TECH, kod produktu: 1050, Piaggio 2966, API TC
++
– dla skutera Kleider Florett – olej syntetyczny Motorex Nbr. 4
[15]
– dla skutera Honda Zoomer – Motorex 10W-40, API SG.
3. Aparatura pomiarowa Hamownia podwoziowa
– hamulec rolkowy: Schenk 500 G5 60– system sterowania kierowcy:
Zöllner FLG, 2Typ. RP
0927-3d, Progr., wersja 1.4– system CVS: Horiba CVS 9500T z
dmuchawą Rootsa– klimatyzacja w hali pomiarowej (powietrze
wlotowe
i rozcieńczające – automatyczna, temperatura: 20 – 30 oC,
wilgotność: 5,5 – 12,2 g/kg
Table 1. Data of the investigated 2-S scootersTabela 1. Dane
techniczne badanych skuterów
– Piaggio Kreidler
Vehicle identification/oznaczenie pojazdu
typhoon K54/511 Florett RS
Model year/model roku 2004 1976
Transmission no. of gears/rodzaj przekładni i liczba biegów
variomat m5
Km at beginning/stan licznika [km] 670 8316
Engine/silnik Type/typDisplacement/objętość skokowa [cm3]
2 stroke50
2 stroke50
Number of cylinders/liczba cylindrów 1 1
Cooling/rodzaj chłodzenia air cooled/powietrzem air
cooled/powietrzem
Rated power/znamionowa moc uży-teczna [kW]
3.2 3.93
Rated speed rpm/prędkość znamiono-wa [obr/min]
6500 7000
Idling speed rpm/prędkość biegu jałowego [obr/min]
1800 1800
Max vehicle speed/maks. prędkość pojazdu [km/h]
45 70
Weight empty/masa własna [kg] 84 93
Mixture preparation/przygotowanie mieszanki
carburettor with automatic oil pump/gaźnik z automa-
tyczną pompą olejową
carburettor blend 2% lube oil in gasoline/gaźnik; dodatek
2% oleju smarującego w benzynie
SAS (secondary air system)/system powietrza wtórnego
Yes/tak No/nie
Catalyst/reaktor katalityczny Dummy/atrapa No/nie
Fig. 2. Investigated 4-S scooter: Honda Zoomer 4-S 50 ccRys. 2.
Badany 4-suwowy skuter Honda Zoomer o objętości skokowej
Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...
-
33COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)
the portions of 5, 10, 15 and 20% by volume. Pure ethanol is
C2H5OH and the hydrous ethanol contains: 94.56% vol etha-nol, 3.94%
vol water and 1.5% gasoline. The most important parameters of the
fuels used are summarized in the Table 3.
It can be seen, that with increasing the ethanol ratio the
stoichiometric air requirement of the blendfuel decreases. That
means by an approximately equal air flow rate the air-fuel-mixture
will be leaner. Furthermore there is less heat value in ethanol.
The boiling point at a fix temperature and the high latent heat of
evaporation of ethanol may cause serious problems of cold
starting.Lube oils
The lube oils used were according to the requirements of vehicle
manufacturers:– for Piaggio Typhoon – fully synthetic Selenia
HI-Scooter 2
TECH oil, product code: 1050, Piaggio 2966, API TC ++– for
Kleider Florett – fully synthetic oil Motorex Nbr. 4, [15]– for
Honda Zoomer – Motorex 10W-40, API SG.
3. Measuring apparatus & proceduresChassis dynamometr
– roller dynamometer: Schenk 500 G5 60– driver conductor system:
Zöllner FLG, 2Typ. RP 0927-3d,
Progr., Version 1.4– CVS dilution system: Horiba CVS 9500T with
Roots
blower– air conditioning in the measuring hall (intake and
dilution air) automatic, temperature: 20 – 30 oC,
humidity: 5.5 – 12.2. g/kgThe measuring set-up on a chassis
dynamometer is rep-
resented in Fig. 3.Test equipment for regulated exshaust gas
emissions
This equipment fulfills the requirements of the Swiss and
European exhaust gas legislation – 70/220/EEC – 2003/76/EC;
97/24/EC – chap. 5 – 2002/51/EC.– Gaseous components:
exhaust gas measuring system Horiba MEXA-9400H CO, CO2 infrared
analyzers (IR)HCIR only for idlingHCFID flame ionization detector
for total hydro-
carbonsNO/NOx chemoluminescence analyzer (CLA)O2 Magnos
(paramagnetic analyzer)
Na rysunku 3 przedstawiono stanowisko pomiarowe na hamowni
podwoziowej. Wyposażenie badawcze dla normatywnych badań emisji
spalin
Wyposażenie badawcze dla normatywnych badań emisji spełnia
wymagania szwajcarskich i europejskich unormowań prawnych w
zakresie emisji spalin: 70/220/EEC – 2003/76/EC; 97/24/EC – rozdz.
5 – 2002/51/EC.– Składniki gazowe: system do pomiaru emisji spalin
Horiba MEXA-9400H CO, CO2 analizator na podczerwień (IR –
infrared
analyzers) HCIR jedynie dla biegu jałowego HCFID analizator
płomieniowo-jonizacyjny dla
całkowitej ilości węglowodorów
Table 2. Date of the investigated 4-S scooterTabela 2. Dane
techniczne badanego skutera 4-suwowego
– Honda
Vehicle identification/oznaczenie pojazdu Zoomer NPS 50
Model year/model roku 2004
Transmission no. of gears/rodzaj przekładni i liczba biegów
variomat
Km at beginning/stan licznika 74 km
Engine/silnik:Type/rodzajDisplacement/objętość skokowa
[cm3]Number of cylinders/liczba cylindrów
4 stroke/4-suwowy501
Cooling/rodzaj chłodzenia water cooled/wodne
Rrated power/znamionowa moc użyteczna [kW]
3.1
Rated speed, rpm/prędkość znamionowa [obr/min]
7500
Idling speed, rpm/prędkość biegu jałowego [obr/min]
1600 – 1800
Max vehicle speed/maks. prędkość pojazdu [km/h]
60
Weight empty/masa własna [kg] 90
Mixture preparation/przygotowanie mie-szanki
carburettor/gaźnik
SAS (secondary air system)/system powie-trza wtórnego
yes/tak
Catalyst/reaktor katalityczny dummy/atrapa
Table 3. Parameters of fuels used [9]Tabela 3. Parametry
zastosowanych paliw [9]
Gasoline/benzyna
Ethanol/etanol
C2H5OH
E10 E15 E20 EH10 EH15 EH20
Density/gęstość [g/cm3] 0.737 0.789 0.742 0.745 0.747 0.743
0.746 0.749
Stoichiometric air/fuel ratio/ stechiometr. wsp.
powietrze/paliwo
[-] 14.6 9.0 14.00 13.71 13.42 13.96 13.64 13.33
Lover caloric value/dolna wartość opałowa [MJ/kg] 43.0 26.8 41.3
40.4 39.6 41.1 40.2 39.3*) boiling point/temp. wrzenia [oC] 30 –
200 78.5*) research octane nbr./badawcza liczba oktanowa [-] 95
111*) latent heat of evaporation/utajone ciepło parowania [kJ/kg]
420 845
*) according to [9]/zgodnie z [9]
Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle)
emissions...
-
34 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)
The dilution ratio DF in the CVS-dilution tunnel is variable and
can be controlled by means of the CO2-analysis.
– Measurement of the particulate mass (PM): sampling from the
full-flow dilution tunnel filter temperature – 52 oC conditioning
of filter: 8 – 24 h (20 oC, rel. humidity 50%) scale: Mettler,
accuracy ± 1 mg
Particle size analysisIn addition to the gravimetric measurement
of particulate
mass, the particle size and counts distributions were analyzed
with following apparatus:– SMPS – Scanning Mobility Particle
Sizer, TSI (DMA TSI 3081L, CPC TSI 3772)– NanoMet – System
consisting of:
– PAS – Photoelectric Aerosol Sensor (Eco Chem PAS 2000)
– DC – Diffusion Charging Sensor (Matter Eng. LQ1-DC)
– MD19 tunable minidiluter (Matter Eng. MD19-2E, see Fig.
3).
SMPS enables to count nanoparticles according to their size
distribution (10 – 400 nm). PAS (photoelectric aerosol sensor) is
sensitive to the surface of particulates and to the chemical
properties of the surface. It indicates the solid particles with
carbonaceous surface. This type of particles
NO/NOx analizator chemiluminescencyjny (CLA) O2 analizator
paramagnetyczny Współczynnik rozcieńczenia w tunelu
rozcieńczającym
CVS jest zmienny i może być regulowany za pomocą środków
technicznych stosujących ocenę CO2.
– Pomiar masy cząstki stałej (PM): próbkowanie z
pełno-przepływowego tunelu rozcieńczającego, temperatura filtra –
52 oC, kondycjonowanie filtra: 8 – 24 h (20 oC, wilgotność względna
50%), skala: Mettler, dokładność ± 1 mg.
Analiza rozmiaru cząstkiOprócz grawimetrycznego pomiaru masy
cząstki, ana-
lizowano rozkład wymiarowy i liczbę cząstek z zastosowa-niem
następującej aparatury:– SMPS – skaningowy analizator wymiarowy
cząstek sta-
łych oparty na analizie ruchliwości elektrycznej cząstek Sizer,
TSI (DMA TSI 3081L, CPC TSI 3772)
– NanoMet – system zawierający:– PAS – fotoelektryczny czujnik
aerozolu (Eco Chem
PAS 2000)– DC – czujnik rozcieńczenia ładunku (Matter Eng.
LQ1-
DC)– MD19 minitunel rozcieńczający (Matter Eng. MD19-
2E, patrz rys. 3).SMPS umożliwia pomiar nanocząstek zgodnie z
ich
rozkładem wymiarowym (10 – 400 nm).Czujnik PAS jest wrażliwy na
powierzchnię cząstek
i chemiczne właściwości powierzchni. Wskazuje stałe cząstki z
powierzchnią węglową. Ten rodzaj cząstek jest rzadko możliwy do
pomiaru w spalinach silników 2-suwowych, stąd wyniki PAS nie są
przedstawione w powyższej pracy.
Przetwornik DC umożliwia pomiar całkowitej po-wierzchni cząstki
niezależnie od chemicznych właściwości. Wskazuje cząstki stałe i
kondensaty. Wyniki uzyskane z zastosowaniem przetwornika DC są
bardzo zgodne ze zmierzoną masą cząstki stałej. Na rysunku 3
przedstawio-no stanowisko poboru spalin i pomiarowe zastosowane w
badaniach.
Próbkowanie pomiarów nanocząstek jest dokonywane w przewodzie
wylotowym silnika dla podstawowych badań przy stałej prędkości, a
dla cykli jezdnych pobór próbki jest z systemu CVS (zgodnie z PMP).
Minitunel MD19 jest grzany do temperatury 120 °C. Wszystkie pomiary
zrealizowane w pracy przeprowadzono bez zastosowania
termoklimatyzatora (TC).
Praca gorącego silnika w warunkach stacjonarnych została
przedłużona do 20 minut w celu uzyskania wystar-czającej masy
cząstek na filtrze pomiarowym do analizy PM. Wartości graniczne dla
stanowiska pomiarowego ustalono zgodnie ze szwajcarskimi
unormowaniami prawnymi w za-kresie emisji spalin dla motocykli
(masa odniesienia 170 kg; a/b/c= 10/0/0,0245, pochłonięta moc 0.547
kW/40 km/h).
4. Procedury badawczeBadania podstawowe z zastosowaniem paliw
opartych
na etanolu przeprowadzono dla każdego wariantu paliwa
Fig. 3. Sampling and measuring set-up for nanoparticulate
analysis of scooters
Rys. 3. Stanowisko poboru spalin i pomiarowe do analizy
nanocząstek w spalinach silników skuterów
Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...
-
35COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)
is rarely measurable in the 2-S exhaust gas and the results of
PAS are not represented in this paper.
DC (diffusion charging sensor) measures the total particle
surface independent of the chemical properties. It indicates the
solids and the condensates. The results of DC correspond very well
with the measured particle mass PM. The sampling and measuring
set-up during the tests is shown in Fig. 3.
The sampling position for NP-measurements is at tailpipe (TP)
for basic investigations at constant speed and for driv-ing cycles
the sampling position from CVS (according to PMP) is used. The
minidiluter MD19 is heated to 120 °C. All NP-measurements in this
work were performed without the thermoconditioner (TC). The
stationary warm operation was prolonged until 20 min to get enough
mass on the measur-ing filters for the analysis of PM. The driving
resistances of the test bench were set according to the Swiss
exhaust gas legislation for motorcycles. (reference mass 170 kg;
a/b/c = = 10/0/0.0245; absorbed power 0.547 kW@40 km/h).
4. Research proceduresThe basic investigations with
ethanol-based fuels were
performed with each variant of fuel according to the same
procedure:– 5 min conditioning at full load– legal test cycle – for
Piaggio Typhoon limited to 45 km/h ECE 471) – for Kreidler and
Honda unlimited speed ECE 402)
– constant speed 40 km/h – first 5 min conditioning – further 10
min measurements of PSD’s with
SMPS – last 3 min – last scan SMPS.The legal driving cycles are
represented in Fig. 4.
AcknowledgementsThe authors would like to express their
gratitude for the
support of the project to BAFU (Swiss EPA), Dr. M. Schiess and
to the Process Design Center B.V.NL and TU Delft.
zgodnie z tą samą procedurą:– 5 min kondycjonowania dla pełnego
obciążenia– normatywny cykl badawczy
– dla skutera Piaggio Typhoon ograniczony do 45 km/h ECE
471)
– dla skutera Kreidler i Honda prędkość bez ograniczenia ECE
402)
– stała prędkość 40 km/h – pierwsze 5 min kondycjonowanie –
następne 10 min pomiary PSD’s z zastosowaniem
SMPS – ostatnie 3 min – ostatnie skanowanie SMPS.
Normatywne cykle jezdne przedstawiono na rys. 4.
PodziękowaniaAutorzy pragną wyrazić podziękowania za pomoc w
realizacji projektu następującym osobom i instytucjom:
Federalnemu Urzędowi ds. Środowiska (Szwajcarski oddział EPA) i dr.
M. Schiess, Process Design Center B.V.NL oraz TU Delft.
Fig. 4. Legal driving cycles used for the investigated
vehiclesRys. 4. Cykle jezdne zastosowane dla badanych pojazdów
1) zgodnie z 97/24/EC rozdz. 5 aneks 12) zgodnie z 97/24/EC
rozdz. 5 aneks 2
1) according to 97/24/EC chap. 5 annex 12) according to 97/24/EC
chap. 5 annex 2
Paper reviewed/Artykuł recenzowany
Nomenclature/Skróty i oznaczeniaAFHB Abgasprüfstelle der
Fachhochschule, Biel CH(Lab. For
Exhaust Gas Control, Univ. of Appl. Sciences, Biel-Bienne,
CH)/Laboratorium Kontroli Emisji Spalin Uniwersytetu Nauk
Stosowanych w Biel-Bienn
BAFU Bundesamt für Umwelt (Swiss EPA)/Federalny Urząd ds.
Środowiska (Szwajcarski oddział EPA)
C Carburetor/gaźnikCarb Carburetor/gaźnikCMD count median
diameter/obliczona średnia wartość śred-
nicy
CPC condensation particle counter/kondensacyjny licznik cząstek
stałych
CVS constant volume sampling/stała objętość próbkowanych
spalin
DC diffusion charging sensor/czujnik rozcieńczenia ładunkuDF
dilution factor/współczynnik rozcieńczeniaDMA differential mobility
analyser/różnicowy analizator rozmia-
ru cząstek oparty na ocenie ich zmienności ruchowejE pure
ethanol (energy only)/czysty etanol (jedynie ener-
gia)
Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle)
emissions...
-
36 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)
Bibliography/Literatura[1] Czerwinski J., Comte P., Napoli S.,
Wili Ph.: Summer Cold
Start and Nanoparticulates of Small Scooters. Report B086 for
BUWAL (SAEFL) Bern, Lab. For Exhaust Gas Control, Univ. of Appl.
Sciences, Biel-Bienne, Switzerland, Nov. 2000. SAE Technical Paper
2002-01-1096.
[2] Czerwinski J., Comte P.: Limited Emissions and
Nanopartic-les of a Scooter with 2-stroke Direct Injection (TSDI).
SAE Technical Paper 2003-01-2314.
[3] Czerwinski J., Comte P., Reutimann F.: Nanoparticle
Emissions of a DI 2-Stroke Scooter with varying Oil- and Fuel
Quality. SAE Techn. Paper 2005-01-1101.
[4] Czerwinski J., Comte P., Larsen B., Martini G., Mayer A.:
Research on Particle Emissions of modern 2-S Scooters. SAE Techn.
Paper 2006-01-1078.
[5] Czerwinski J., Comte P., Astorga C., Rey M., Mayer A.,
Reu-timann F.: (Nano) Particle from 2-S Scooters: SOF/INSOF;
Improvements of Aftertreatment; Toxicity. AFHB, JRC, TTM, BAFU, SAE
Techn. Paper 2007-01-1089.
[6] Czerwinski J., Comte P., Violetti N., Landri P., Mayer A.,
Reu-timann F.: Catalyst Aging and Effects on Particle Emissions of
2-Stroke Scooters. SAE Techn. Paper 2008-01-0455.
[7] Bergström K., Melin S-A., Coleman J.: General Motors
Power-train: The New ECOTEC Turbo BioPower Engine from GM
Powertrain – Utilizing the Power of Nature’s resources. 28.
Internationales Wiener Motorensymposium 2007, Bd.2, S.47.
[8] Bergström K., Nordin H., Königstein A., GM Powertrain
Europe; D. Marriott C.D., Wiles M. A., GM Powertrain
North America: ABC - Alcohol Based Combustion Engines –
Challenges and Opportunities. 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und
Motorentechnik 2007, Bd.2, S. 1031.
[9] Kawai T., Tsunooka T., Chiba F., Uda H., Sonoda Y., Toyota
Motor Corporation, Japan: Effect of high Concentration Ethanol on
SI Engine Cold Startability and Emissions. 16. Aachener Kolloquium
Fahrzeug- und Motorentechnik 2007, Bd.2, S. 1075.
[10] DuMont R.J., Cunningham L.J., Oliver M.K., Studzinski W.M.,
Galante-Fox J.M.: Controlling Induction System Deposits in Flexible
Fuel Vehicles Operating on E85. SAE Techn. Paper 2007-01-4071.
[11] Galante-Fox J.M., Von Bacho P., Notaro C., Zizelman J.:
E-85 Fuel Corrosivity: Effects on Port Fuel Injector Durability
Performance. SAE Techn. Paper 2007-01-4072.
[12] CONCAWE ... Conservation of Clean Air und Water in Eu-rope,
Brussel, http://www.concawe.org.
[13] Gottschalk A.: Gasoline Blending with Hydrous Ethanol. 7th
International Colloquium “Fuels”, Technische Akademie Esslingen
TAE, Jan. 14-15, 2009.
[14] Hydrous Ethanol Blends. HE Blends B.V. www.heblends.com[15]
Czerwinski J., Comte P., Mayer A., Reutimann F., Zürcher D.:
Reduction Potentials of Particle Emissions of 2-S Scooters with
Combinations of Technical Measures. FISITA, Munich, Germany, Sept.
14-19.2008, Paper F2008-09-014, Congress Proceedings Vol. IV, p.
100, ATZ/ATZ auto technology, Sprin-ger Automotive Media,
Wiesbaden, D.
EC elemental carbon/węgiel pierwiastkowyEH hydrous
ethanol/etanol uwodnionyFHB Fachhochschule Biel/Uniwersytet Nauk
Stosowanych w
BielGas gasoline leed-free, RON 95 (base fuel)/benzyna 95MD
minidiluter/minitunel rozcieńczającyME Matter Engineering,
CH/Inżynieria Materiałowa, Szwaj-
cariaNanoMet minidiluter + PAS + DC (+TC)/minitunel
rozcieńczający
+ fotoelektryczny czujnik aerozolu + czujnik rozcieńczenia
ładunku (+ termoklimatyzator)
NP nanoparticulates (< 1 mm)/nanocząstki (< 1 mm)OC
organic carbon/węgiel organicznyPAS photoelectric aerosol
sensor/fotoelektryczny czujnik aero-
zoluPM particulate matter, particulate mass/cząstka stałaPMP
particle measuring program (of the ECE GRPE/program
pomiaru cząstki (wg ECE GRPE)
PSD particles size distribution/rozkład wymiarowy cząstekr rich
basic tuning/tuning podstawowy w kierunku wzboga-
cenia mieszankiSAS secondary air system/system powietrza
wtórnegoSMPS scanning mobility particles sizer/skaningowy
analizator
wymiarowy cząstek stałych oparty na analizie ruchliwości
elektrycznej cząstek
SOF soluble organic fraction/frakcja rozpuszczalna cząstki
stałej
TC thermoconditioner, total carbon/system utrzymania stałej
temperatury, całkowita ilość węgla
TP tailpipe/przewód wylotowy silnikaTPN total particle number
[#/km]/całkowita liczba cząstek
[szt./km]2-S 2 stroke engine/silnik dwusuwowy4-S 4 stroke
engine/silnik czterosuwowy
Mr. Andreas Mayer, MEng. – Technik Thermische Maschinen (TTM),
Switzerland.Inż. Andreas Mayer – pracownik Termodynamicz-nej
Techniki Maszyn (TTM), Szwajcaria.e-mail:
[email protected]
Prof. Jan Czerwiński, DEng. – Laboratorium for IC-Engines and
Exhaust Gas Control, University of Applied Sciences Biel-Bienne,
Switzerland.Prof. dr Jan Czerwiński – Laboratorium Silników
Spalinowych i Emisji Spalin, Uniwersytet Nauk Stosowanych w
Biel-Bienne, Szwajcaria.e-mail: [email protected]
Mr. Pierre Comte – AFHB, University of Applied Sciences,
Biel-Bienne, Switzerland.Pierre Comte – Uniwersytet Nauk
Stosowanych, Biel-Bienne, Szwajcaria.e-mail:
[email protected]
Felix Reutimann – BAFU, Federal Office of Envi-ronment,
Switzerland.Felix Reutimann – BAFU, Federalne Biuro Ochro-ny
Środowiska, Szwajcaria.e-mail: felix.reutimann@ bafu.admin.ch
Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...